郑景星 文茂堂 运向勇
深圳市质量安全检验检测研究院 深圳 518029
摘 要：制动下滑量检测是起重机械安装监督检验中的重要考核项目。针对目前起重机制动下滑量制动信号采集需改变原有控制电路、布线费时费力，且操作人员具有触电危险等问题，设计一种起重机制动信号采集装置。主控采用STM32 32位控制器，搭载薄膜压力传感器对起重机制动信号进行采集，并通过使用OLED显示模块和LoRa 通信模块实现数据交互。实验表明，该设计简易、可重复使用、并具有较强的抗干扰能力和通信实时性，可为特种设备检验行业提供良好的借鉴意义。
关键词：起重机；制动下滑量；制动信号；数据交互；设备检验
中图分类号：TH21:TP216 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2023）11-0079-06
Abstract: The detection of braking slip is an important item in the supervision and inspection of hoisting machinery installation. Considering that it is time-consuming and laborious to collect the braking signal of crane braking slip at present, it is necessary to change the original control circuit and wiring, and the operator faces the danger of electric shock, a design of crane braking signal acquisition device is propos
ed. With STM32 32-bit controller as the main control device and equipped with thin film pressure sensor, the braking signal of crane is collected, and data interaction is realized through OLED display module and LoRa communication module. Tests show that the design is simple, reusable, and has strong anti-interference ability and real-time communication, which has reference significance for special equipment inspection industry. Keywords:crane; brake slip; brake signal; data interaction; unit check
0 引言
起重机械安装监督检验时需要考核起升机构的制动下滑量。制动下滑量是指起重机起升机构在额定速度稳定下降时的制动下滑距离，即从起升机构制动器
*基金项目：广东省市场监督管理局科技项目（2022CT12）
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作者邮箱：****************
收稿日期：2023-02-20
断电至被吊物停止时的下滑距离[1]，制动下滑量是衡量起重机起升机构制动性能的重要指标。下滑量过大不仅会影响吊装定位精度，严重超标时将导致溜钩甚至引发人员伤亡事故。特种设备安全技术规范（TSG文件）、国家标准[2-4]均对制动下滑量提出了明确要求。在起重机安装监督检验、定期维护保养过程中，对起重机的制动下滑量实施科学、便捷的测量，对保障安全生产具有重要意义。
GB/T 14405—2011《通用桥式起重机》提出一种最早的测试方法，采用直径为1 mm钢丝绳，一端系一小砣，另一端与固定的微动开关（触点常闭）相连。常闭触点接在用接触器控制的下降回路中，砣的质量应足以使开关动作，切断下降电路，测量时小砣放在载荷（砝码）上，当载荷下降到某一位置时小砣与载荷分离，此时下降电路立即被切断，载荷随即开始下滑运动，测得小砣与载荷之间的垂直距离即为下滑量，连续测量3次，取其平均值。
根据这一测试原理演变出现了各种变化的形式，例如：在控制回路中串入电气开关，或串入安全开关和电流传感器，通过切断起重机下降控制回路从而获得制动信号[5-9]。
上述这些测量方法都要对起重机电气线路操作，布线准备等工作对大型起重设备而言十分费时费力，且操作人员具有触电危险，给设备留下电气安全隐患。
1 系统整体设计思路
1.1 测量原理
距离差法的测量原理是利用拉线传感器、超声波传感器、激光测距传感器、高速图像捕捉等获得起重机制动开始时刻高度和制动停止时刻高度，通过两者差值获得制动下滑量。
在实际测量中，为了提高测量精度，需待起重机稳定运行到额定速度，且应实时准确、方便、安全地采集制动触发信号。测量示意图如图1所示，测量思路基于距离差法，在起重机操作控制台或控制手柄的急停开关上搭载薄膜压力传感器。当起重机稳定下降时，在载荷距离地面高度为h1时，按下急停开关，采集触发信号。起重机制停经历如下响应过程：起升机构控制回路断电，制动器闭合上闸，载荷被制停，此时载荷距离地面高度为h2。二者差值即为制动下滑量。
1.采集装置
2.急停开关
3.控制手柄
图1 测量原理图
1.2 采集装置结构设计
起重机制动信号采集装置包括安装支架和薄膜压力传感器。安装支架底端设有连接槽，用以嵌套急停开关的按压端，安装支架顶端安装薄膜压力传感器。
不同形式的急停开关按压端的具体尺寸也不同，为提高信号采集装置与急停开关的适配性，在连接槽的槽底和侧壁均安装弹性垫片，以便急停开关与采集装置更加密贴。此外，在连接槽的侧壁开设有螺纹孔，螺纹紧固件的一端穿过螺纹孔，用以抵接于急停开关的周侧，从而使安装支架与急停开关紧固。系统结构如图2所示。
1.安装支架
2.蝶形螺栓
3.急停开关
（a）
1、3.垫片 2.蝶形螺栓 4.急停开关 5.连接槽
6.安装支架
7.薄膜压力传感器
（b）
图2 系统结构图
起重机制动信号采集装置在使用时，通过安装支架与急停开关的按压端插接即可完成安装，且能重复使用，使起重机制动触发信号的采集更加方便和安全。连接槽的深度根据需要设置，在保证所述安装支架与急停开关的按压端插置连接的同时，不影响急停开关按压端的按钮动作触发行程。
1.3 系统整体框架设计
通过获取采集装置表面的薄膜压力传感器压力值、经过硬件滤波、均值处理、函数求解等，判断作用于该装置上的动作压力是否能有效动作急停开关，并通过物联网通信模块对制动触发信号发送以实现数据交互。
硬件设计上，采用STM32作为硬件主控，通过系统整体功能需求分析对芯片IO合理分配，同时搭载相应的电源模块单元、压力采集单元、信号传输单元、显示单元、ST_link调试接口、复位电路、晶振电路以实现系统整体功能。系统整体框架如图3所示。
2 系统软硬件设计
2.1 MCU微控制器单元
STM32f103RCT6控制器以Cortex-M3为核心，该系列MCU专为高性能和低功耗应用而设计，其芯片具有64个功能引脚，存储容量较大(ROM容量为256 kB、RAM容量为48 kB)，可满足本设计功能需求，其最高工作频率可达72 MHz，运算处理速度非常快，同时，该芯片具有较强的抗干扰能力[10，11]。
图3 系统整体框架图
2.2 电源模块单元
考虑到本设计的便携性，采用5 V锂电池作为系统总电源，同时为了兼顾主控制器供电电压，需设计一个降压电路，通过降压电路把锂电池电压稳压至3.3 V供控制器和其他传感器使用，电路原理如图4所示。
图4 降压电路原理图
为了对电池进行能量补给，充电电路设计采用电源管理IC芯片TP4056[12]。此IC芯片为采用恒流/恒定电压算法的单节锂离子电池充电器，采用不同颜的发光二极管连接到芯片的CHRG和STDBY引脚，通过发光二极管颜区分充电状态，电源模块原理如图5所示。
史磊在软件设计方面，通过处理器的模数转换采样锂电池电压计算当前电池剩余电量的百分比。在实际设计中，为了更加准确地采集电池容量，常常采用多次采集的方式，例如采集10次舍弃最大值和最小值，然后求取平均值作为锂电池容量。
2.3 压力采集单元
GB/T 14048.5—2017《低压开关设备和控制设备第5-1部分：控制电路电器和开关元件机电式控制电路电器》[13]提出，用作紧急停止操作的控制开关的操
硬件系统
软件系统
作器应为红，若是按钮应为蘑菇头形式，最小起动力（或力矩）应足够大以防止意外操作。
通过薄膜压力传感器芯片手册数据拟合电阻和传感器压力值关系函数，拟合结果如图6所示。
图6 电阻压力拟合曲线
由拟合结果和芯片资料可知，该模块电压、电阻和压力的关系为
0RES X
1(1)0.1U R R =+⋅
×
（1）式中：U 0为传感器输出电压；R RES 为反馈电阻，为10 kΩ；
X
1
R 为传感器输出电导。由拟合关系可知
X
10.000 40.374 9F R =+ （2）
式中：F 为传感器受到的压力值。
联合式（1）、式（2）并进行国际单位换算，得到薄膜压力传感器压力与电压的关系为
43
010 4 749104U F g −−=×⋅ （3）
式中：F 为传感器受到的压力值，g 为9.8 kg/N 。运用控制器模数转换，对制动触发信号采集装置表面上的薄膜压力传感器电压采集，并通过式（3），得出作用于制动按钮上的压力，判断是否为有效触发信号。软件流程图如图7所示。
图7 触发信号采集流程图
在实际检验中，对轮胎集装箱门式起重机急停开关和普通电气按钮触发压力采集，按钮动作力大小与直
径如表1所示。
在设计时，为了使该装置具有更优的适用性，可在该装置安装完成后，
对触发急停开关压力值进行预
图
5 电源模块原理图
采集，作为动作阈值(同时考虑误差范围)，并输入到采集装置。
表1 触发压力表
2.4 数据传输、处理单元
传统数据采集常常是运用有线布线方式，在实际应用中，为了实现良好的数据传输距离、避免布线繁琐，本系统中采用一种物联网接入层传输的LoRa无线传输通信模块。与WiFi通信和蓝牙通信相比，LoRa具有组网简单、通信距离长、功耗低等特点[14-17]，LoRa作为信号传输载体，通过串口实现数据传输。
为了准确地对通信数据理解，避免发送接收过程中数据丢包对通信的影响，需通信双方制定详细的通信协议[18]，本制动触发信号装置的发送数据协议格式如表2所示，协议帧头和帧尾为固定的十六进制数，数据包包括设备号、交互数据等，通过该通讯协议能简单准确地进行数据发送和校验。
表2 数据交互协议
通信双方通过连接配对和通信协议实现数据交互，控制器对下滑量测量数据包解析和运算处理，即可获得起重机制动下滑量。
2.5 人机交互界面
人机交互界面是通过OLED显示屏实现的，UI 界面设计如图8所示。通过硬件终端的LoRa模块、OLED显示模块及芯片存储单元实现数据交互、信息显示以及信息存储，从而实时对起重机制动信息进行监测。测试过程只需动作起重机安全便捷处的急停开关即可触发制动信号，在一定程度上降低了风险，减少不必要的麻烦。
图8 UI界面
3 系统测试
通过对系统调试和测试，能排除并修正系统设计过程中存在的问题，确保系统在实际环境中能稳定可靠的运行。利用串口上位机、示波器等，对本设计采集参数和收发数据监测，判断数据是否在传输过程中出现丢包现象，以及测试通信实时性。
不断通断系统供电电源对本设计进行插拔测试，观察各模块是否受到干扰。对系统进行压力测试和重复性操作，观察系统能否正常运行，测试结果如表3所示。
根据测试结果，系统联合测试能够符合预期要求，各部分性能和前期设计需求一致，通讯链路顺畅、实时性强，且不会出现严重故障丢包现象。
表
3 系统测试结果
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